雙擺混沌互動模擬實驗
數學 · 雙擺混沌 · 高中
關於這個模擬實驗
單擺是會重複的:給它同樣的起始條件,你每次都會得到同樣的擺動。把第二根杆接在第一根的末端,同一條萬有引力定律卻造出了永不重複、也無法長期預測的運動。相差十分之一度放開的兩份拷貝,起初完全同步地跟着彼此;隨後它們之間的差距翻倍,再翻倍,而且節奏穩定——也就是説它按指數增長,而不是線性增長。大約十秒之內,兩個擺就在做完全不同的事情了。這裏沒有任何隨機的成分,也沒有做任何近似:方程是精確的,兩條軌跡分開的同時,每份拷貝的能量都保持穩定。失效的是預測,而且它失效的時間表可以直接從圖上讀出來。反過來,把兩個起始角度都設得很小,同一個擺就會規規矩矩,差距只是來回晃動,圖線也變平了——這裏的混沌是「你把它甩得多用力」的性質,而不是這套裝置本身的性質。學生可以改變上擺的起始角度及下襬的起始角度,並比較結果有何變化。可用於與高中一起進行數學探究,投影演示或讓學生各自使用裝置均可。
課程標準: Common Core CCSS.MATH.CONTENT.HSF.IF.B.4, CCSS.MATH.CONTENT.HSF.LE.A.1
學生可以探索什麼
- 運行「大幅」起始,數一數過多少秒你才能把兩個擺區分開
- 換成「輕柔」起始:差距不再增長,可見這個擺並不總是混沌的
- 把初始差距除以十,看看這實際上多買來了幾秒鐘的可預測時間
- 讀對數圖:那段直線就是指數增長,它的斜率就是差距翻倍的速率
- 在兩條軌跡分開時盯住能量讀數——無法預測並不等於不守恆
學習目標
- 1預測改變上擺的起始角度會如何影響釋放瞬間上杆受到的推動,然後驗證這個預測。
- 2運用即時計算和視覺圖像提供的證據來解釋結果。
教師常問的問題
雙擺混沌模擬實驗是免費的嗎?
免費。用新版瀏覽器開啟雙擺混沌模擬實驗即可,無須下載,也無須註冊。
它適合高中嗎?
這個模擬實驗內置涵蓋高中的學習程度預設。選擇與你班別相符的程度,然後投影演示或讓學生在自己的裝置上使用。
嵌入這個模擬實驗
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更多互動科學模型
轉動轉盤、拋硬幣或擲骰子,同時觀察兩組柱形:圖形所預測的概率,以及你實際得到的結果。轉十次説明不了什麼;轉上幾百次,兩者就幾乎難以區分了。
輸入任意函數,立刻看到它的形狀。最多可以用三種顏色同時畫三條曲線來比較,拖動追蹤點從曲線上讀出數值,並看看每條曲線在哪裏穿過零點。
兩個天體在引力下會永遠畫出一個橢圓,而且你能把公式寫下來。加進第三個天體,這樣的公式就不存在了。運行「8」字形軌道,輕輕改動其中一個質量,看着一個穩定的圖樣變得無法預測,而總能量卻紋絲不動。
用一條條豎條去近似曲線下的面積,並選擇每條豎條如何取高度:左端點、右端點、中點,或者一條傾斜的頂邊。增加豎條數量,看着誤差下降,同時累計和被單獨畫成一條曲線。
移動 m,看直線如何傾斜;移動 b,看它如何上下平移。或者拖動直線上的兩個點,讀出它回寫給你的方程。一段「上升比水平」的階梯沿着直線往上爬,讓斜率變成可以數出來的東西。
由模型到紀錄
為這個模擬實驗配一份可列印工作紙
學生探索之後,用工作紙記錄他們的預測、觀察和解釋。
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